【科普】质子的生命是有限的吗？

有一天，我们的生命会走到尽头，我们生活的这颗蓝色星球也将变得不再适合居住，甚至连太阳、银河系也终将毁灭。那些我们曾认为是永恒的存在，都有着各自的生命周期。但对于构成万物的粒子——质子而言，生命是否也是有限的？

1919年，当卢瑟福宣布发现质子时，人们唯一知道的物质的基本组成粒子只有电子。

当时，物理学家对质子的认识是，质子不可能在不违反电荷守恒的情况下发生衰变。十年后，赫尔曼·威尔（Hermann Weyl）为了解释物质的稳定性，提出了重子数守恒原理。于1932年发现的中子和质子都属于重子，它们的重子数为+1，它们的反粒子的重子数为-1，电子的重子数则为0。举个例子，中子可以衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子，在这个过程中总重子数是不变的。

○ 在原子核中的中子是非常稳定的，但自由中子在大约15分钟后就会发生衰变，衰变前后的重子数都为+1。目前，我们还没有发现质子会衰变的证据。那么，电子呢？根据能量守恒和电荷守恒，电子可能永远是稳定存在的：就目前所知，没有带负电荷的低质量粒子存在。

如果重子数是一个绝对守恒的量子数，那么质子作为最轻的一个重子，它将是绝对稳定的。即使在发现正电子（电子的反物质版本）、正μ介子和π介子这些比质子都轻的粒子之后，仍然没有发现任何可以怀疑质子的稳定性的理由。

物理学家Maurice Goldhaber曾说过，如果质子的寿命小于10¹⁶年，那么我们应该能从骨头里感受到它们，因为我们的身体将会具有致命的放射性。10¹⁶即1后面跟着16个0，作为比较，宇宙的年龄只有138亿年，大约是1的后面跟着10个0。

1954年，Goldhaber对他先前的估测进行了改进。他认为如果失去一个核子将会使原子核处于激发态，从而有可能导致裂变，他用²³²Th来计算束缚的核子的寿命，得到的结果为大于10²⁰年。随后，Georgy Flerov很快将这个数字扩展为大于3×10²³年。

Goldhaber还与Fred Reines和Clyde Cowan合作，测试了直接观测到质子衰变的可能性。他们的实验包含了一个500升的荧光液体，液体的周围环绕着90个光电倍增管（PMT），这套设备本来是设计来检测反应堆中微子的。但他们没有发现任何信号，这就表明自由质子（指那些没有被束缚在原子核内的质子）的寿命一定比10²¹年更长，而束缚核子的寿命则必须大于10²²年。到了1974年，在一项用20吨荧光液体进行的宇宙射线实验中，Reines和他的其他同事将质子的寿命推到了10³⁰年以上。

与此同时，在1966年，Andrei Sakharov提出了一些可以观测到宇宙中的粒子-反粒子不对称性的条件（这种不对称性是现代宇宙的一个重要组成部分，也是行星、恒星和星系等结构形成的主要驱动力）。其中之一就是重子数守恒只是近似的，而且是可以在早期宇宙的膨胀阶段被违反的（另外两个条件是偏离热平衡，以及存在破坏C对称和CP对称的相互作用）。能违反重子数守恒的相互作用可以使质子发生衰变，但由Sakharov提出的质子寿命可能大于10⁵⁰年，这样的结果多少会让实验物理学家有点心灰意冷。

但到了1974年前后，事情开始有了转折。当时，物理学家提出了大统一理论（GUT），它不仅是要统一强核力、弱核力、电磁力（没有包括引力是因为我们还没有发展出一个引力的量子理论），而且还要把夸克和轻子紧密地联系在一起。GUT允许重子数不守恒。尤其是Howard Georgi和Sheldon Glashow的最小SU(5)模型预测了，在10^31±1年的时间区间内，质子会衰变成正电子和中性π介子（p → e⁺π⁰），这与可以观测到的下限10³⁰年相差并不远。

○ 质子（proton）衰变成正电子（positron）和中性π介子（π?），π?会立即衰变成两个光子（gamma）。 图片来源：[2]

看到这里，你肯定早有疑问，宇宙的年龄才138亿年，而质子的寿命却高达10³⁰年，那么在我们有生之年怎么可能测量的到质子的衰变呢？事实上，我们没有必要等待一个特定、选定的质子发生衰变。10³⁰年的估算代表的质子的半衰期：任何物质样本中有一半的质子都有可能衰变的时间。所以，寻找质子衰变的关键就在于需要聚集大量的质子，这就会增加我们探测到质子衰变的几率。

Howard和Sheldon的模型使实验物理学家有了继续寻找的动力。到了1981年，7个这样的实验被安装在地下深处，它们要么使用完全活跃的切伦科夫水探测器，要么使用取样测热计来监测大量的质子。IMB探测器和超级神冈中微子探测实验都是寻找质子衰变的重要实验。但这些实验将质子寿命的下限提高到了10³²年，降低了最小SU(5)大统一规范理论的可行性。

在1987年，IMB和神冈探测器二代因探测到了来自超新星SN1987a释放的中微子而名声大噪。神冈探测器二代早已经在研究太阳中微子和大气中微子，但它的继任者——超级神冈探测器对大气和太阳中微子振荡进行了开创性的观测。目前，超级神冈对质子衰变成e⁺π⁰的时间设置了最高下限：1.6×?10³⁴年。

○ DUNE的目标之一是寻找质子的衰变迹象，这或许可以揭示物质的稳定性和大统一力之间的关系。 图片来源：DUNE

现在，大统一理论的理论发展仍在继续，一些理论模型已将质子的寿命提高到10³⁶年左右。未来的大型实验，比如DUNE、Hyper-K和JUNO，都把寻找质子衰变当成目标之一，有可能将质子的寿命提高到10³⁵年。质子会发生衰变吗？或者说我们有可能回答这个问题吗？我们希望未来的这些实验至少能够给我们带来一丝线索。

参考来源：

[1] https://cerncourier.com/the-pursuit-of-proton-decay/

[2] http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/sk/pdecay-e.html